一、高速信號跨溝及信號回流的基本概念

下圖所示為一個信號流向及其回流示意圖。基于基爾霍夫定律，電流是閉環(huán)的，也就是說任意一個電路的節(jié)點只要有電流流出就一定會有電流流入，返回到節(jié)點（通常是驅動器）的電流通常就叫返回電流。，且高頻電流總是沿著最小的環(huán)路面積移動，高頻返回電流通常是沿著阻抗最小的路徑返回。

對于一個同軸電纜，其芯線為電流流動路徑，而外殼的地就是返回電流的流動路徑，所謂信號跨溝也就是返回電流的路徑被斷開或者是有部分溝槽；對于一個PCB板上的高速傳輸線來說，其電流流動路徑為PCB板上的傳輸線，電流返回路徑通常為與傳輸線相鄰的地平面或者電源平面層（也稱為傳輸線的參考平面），當與傳輸線相鄰的參考平面層有溝槽等不完整現象時，返回電流的路徑就可能被破壞，這時候也稱高速信號跨溝。

如圖1所示，當返回電流路徑被斷開或者被溝槽阻隔時通常稱為高速信號跨溝。

圖1、信號流向及回流路徑示意圖

當高速信號發(fā)生跨溝現象時，整個電流的環(huán)路面積將增加，通常系統(tǒng)的EMC輻射也將增加。同時傳輸線的特征阻抗也將發(fā)生變化（如下圖2所示為信號線阻抗變化曲線），信號遇到傳輸線特征阻抗突變點時將發(fā)生發(fā)射、振鈴等信號完整性問題。

Lecroy WE100H-TDR測得的PCB傳輸線阻抗變化示意圖

那么高速信號跨溝對信號的眼圖、抖動、上升時間等影響是否很大呢？下面我們使用Lecroy的最新款示波器WP760 ZI 來實測下一個3.125Gb/s的XAUI信號跨越分割平面后的眼圖、抖動、頻譜等參數變化情況以及一個快沿信號（Lecroy的WP760 ZI自帶有一個SMA輸出接口可以發(fā)出一個上升時間為70ps左右（20%-80%），見下圖3），可以很方便的用作快沿調試信號。

Lecroy WP760 ZI輸出的快沿脈沖信號

二、3.125Gbits/s XAUI信號跨溝時眼圖抖動等參數的變化

1、眼圖

XAUI信號未跨溝時的眼圖及相關參數（左）

以及有跨溝且溝槽寬度為120mil時的眼圖及相關參數（右）（結果為Lecroy WP760 ZI測得）

從圖4可看出，信號跨越溝槽以后，眼圖的張開度有明顯減小，眼圖各項參數均有一定程度的惡化，眼高降低了40mv左右（通常XAUI信號規(guī)定接收端的信號幅度不低于50mv），眼寬也降低了20ps左右（大約為1/16UI），可見參考平面上的溝槽對信號眼圖的影響還是非常明顯的。

2、抖動XAUI信號沒有跨溝情況抖動測試結果如下圖5所示

圖5 XAUI信號沒有跨溝時的抖動測試結果（測得總體抖動Tj為219.4ps，固有抖動Dj為141.3ps）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動測試結果如下圖6所示，

圖6 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽時的抖動測試結果（測得總體抖動Tj為255.4ps，固有抖動Dj為157.6ps）

從圖5、圖6可以看出，信號跨越溝槽后總體抖動Tj增加了約40ps左右，固有抖動Dj增加了15ps左右。

3、信號頻譜能量Lecroy的最新款示波器WP760 ZI新增了一個頻譜分析儀選件，該選件的操作界面非常類似于R&S等頻譜儀，可以很便捷的設定center frequency、span范圍等，且可以實時顯示峰值點的頻率值及對應幅度值大小，操作起來非常方便簡潔，界面如下圖7所示：

圖7 Lecroy WP760ZI新增的頻譜分析儀選件

XAUI信號沒有跨溝情況下頻譜能量如下圖8所示所示，

圖8 XAUI信號沒有跨溝情況下3.125GHZ點處的功率譜能量（-49.9dbm）

XAUI信號有跨溝情況（溝槽寬度為120mil）抖動測試結果如下圖9所示，

圖9 XAUI信號跨越120mil寬度溝槽情況下3.125GHZ點處的功率譜能量（-49.5dbm）

從圖8和圖9可見，信號跨越溝槽后，頻譜能量略有增加，可能原因是信號環(huán)路增加，導致外部耦合進來的信號能量疊加進來或者是由于信號跨溝導致各頻段能量分布發(fā)生變化導致的。

三、快沿脈沖信號跨溝時抖動上升時間等參數的變化

1、上升時間及抖動

快沿信號沒有跨溝時上升時間抖動等參數的測量，如下圖10所示，

圖10 快沿信號未跨溝時上升時間以及抖動等參數的測量

（測得上升時間為197.5ps，周期抖動RMS值為2.59ps）

快沿信號跨越120mil寬的溝槽時上升時間及抖動等參數的測量，如下圖11所示，

圖11 快沿信號跨越120mil溝槽時上升時間以及抖動等參數的測量

（測得上升時間為224.3ps，周期抖動RMS值為3.19ps）從圖10、圖11可見信號跨溝后，信號的上升時間和抖動受到的影響都非常明顯。3、 頻譜

快沿信號沒有跨溝時500MHZ左右的功率譜，如下圖12所示，

圖12 快沿信號未跨溝時500MHZ左右的功率譜

快沿信號跨越120mil溝槽時500MHZ左右的功率譜，如下圖13所示，

圖13 快沿信號跨越120mil溝槽時500MHZ左右的功率譜

從圖12、圖13可見，信號跨越溝槽后500MHZ左右頻點的能量亦略有增加。

四、總結

從上述測試結果可見，當高速信號尤其是快沿高速信號跨越分割參考平面時，信號的眼圖、抖動、上升時間等均會受到比較大的影響。上述測試結果給出了一個比較直觀的測試對比，可供參考。因此在高速設計時為了保持比較好的信號完整性，一定要注意避免高速信號線跨越分割平面。

審核編輯：劉清